Bài viết Tính toán van cung chịu tác động của động đất theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ giới thiệu đến các bạn mô hình hóa kết cấu van, áp lực nước tăng thêm do động đất, khối lượng nước tương đương,... Với các bạn chuyên ngành Xây dựng thì đây là tài liệu tham khảo hữu ích.
TÍNH TỐN VAN CUNG CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA ĐỘNG ĐẤT THEO TIÊU CHUẨN HOA KỲ Vũ Hoàng Hưng, Vũ Thành Hải Bộ mơn Kết cấu cơng trình, Đại học Thủy lợi Tóm tắt: Tài liệu “Thiết kế cửa van hình cung đập tràn - Kỹ thuật thiết kế, EM 1110-2-2702” Hoa Kỳ quy định tính tốn van cung chịu tác động động đất, áp lực thủy động động đất sinh tính theo công thức Westergaard áp lực thủy động thay khối lượng nước tương đương gắn vào mặt cửa van chuyển động với kết cấu van động đất Hiện phần mềm SAP2000 đáp ứng u cầu tính tốn Thơng qua ví dụ cụ thể để minh chứng việc áp dụng tiêu chuẩn EM 1110-2-2702 tính tốn van cung chịu tác động động đất công việc thực cách dễ dàng Đặt vấn đề Dự thảo “Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế cửa van cung thép cơng trình chống ngập Thành phố Hồ Chí Minh” biên soạn chủ yếu dựa vào tài liệu “Thiết kế cửa van hình cung đập tràn - Kỹ thuật thiết kế” Hoa Kỳ (Design of Spillway Tainter Gates - Engineering and Design, EM 1110-22702, 2000) tiêu chuẩn có nhiều nội dung tiên tiến so với tiêu chuẩn thiết kế van cung nước khác phương diện sau: Thứ nhất, phương pháp tính tốn: EM sử dụng phương pháp tính tốn theo trạng thái giới hạn để tính phận động kết cấu van cung phương pháp tính tốn theo ứng suất cho phép gối lề, chi tiết khí thiết bị đóng mở, tương tự quy định tiêu chuẩn thiết kế cửa van cơng trình thủy lợi Nga, phương pháp tính tốn quen thuộc sử dụng nước ta sở đào tạo, quan tư vấn thiết kế; Thứ hai, mơ hình tính tốn: EM u cầu tính tốn van cung theo tốn khơng gian để phản ánh trạng thái làm việc thực tế cửa van Khi mơ hình hóa mặt, dầm ngang đứng liên kết với mặt có đường 200 trục khơng giao nhau, điều cần phải xem xét mô hình hóa kết cấu van; Thứ ba, tải trọng tác dụng vào cửa van: Ngoài lực khác, EM yêu cầu xét tới lực ma sát trượt vật chắn nước bên gối lề tính toán nội lực biến dạng kết cấu van q trình đóng mở, tính tốn lực kéo van Do lực ma sát gối lề lại phụ thuộc vào phản lực gối, nên cần tiến hành giải lặp Điều chưa đề cập tới nhiều tiêu chuẩn thiết kế van cung nhiều nước; Thứ tư, xác định lực kéo van: EM tính tốn lực kéo van cách mơ hình hóa van theo tốn khơng gian, mơmen cản áp lực nước, trọng lượng thân van mômen cản lực ma sát bên biết, có mơmen cản lực ma sát gối lề chưa xác định, cần tiến hành giải lặp; Thứ năm,về tác động động đất: EM đề nghị áp lực thủy động động đất sinh tính theo cơng thức Westergaard tác động động đất E xác định dựa hiệu ứng quán tính thủy động nước, chuyển động với kết cấu van động đất Vì lý mà tiêu chuẩn tác giả chọn làm tài liệu tham khảo để biên soạn dự thảo “Tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế cửa van cung thép cơng trình chống ngập Thành phố Hồ Chí Minh” Việc áp dụng tiêu chuẩn thiết kế cửa van cung thép thực không khó khăn nhờ phần mềm tính tốn kết cấu Số liệu tính tốn 2.1 Bố trí tổng thể chuyên dụng, phần mềm SAP2000 từ Version 10 trở lên đáp ứng yêu cầu tính tốn nêu tiêu chuẩn Trong phạm vi báo này, tác giả đề cập đến vấn đề tính tốn cửa van cung thép chịu tác động động đất Hình - Bố trí tổng thể van cung đập tràn Hình - Hình chiếu cạnh van cung - Cao trình đáy van: + 100.00m bc=500mm, tc=30mm, tb=20mm, phần công - Cao trình MNDBT: + 113.50m xơn dầm dài 2.5m, chiều cao dầm - Cửa van đóng, đáy van hai đầu tựa vào trụ pin đoạn công xôn biến đổi tuyến tính, tiết diện đầu cơng xơn có kích thước h=600mm, 2.2 Cửa van - Vật liệu thép CT38 có E=2.1×10 kN/m ; bc=500mm, tc=30mm, tb=20mm =0.3; =78kN/m3 - Cơng xơn dầm dài 2.5m, dầm - Nhịp tải trọng Lt=15m, khoảng cách đứng cách 2.5m hai gối lề Lo=13.8m - Chân khung tiết diện chữ I có - Bán kính mặt van R=16m, chiều dày h=600mm, bc=500mm, tc=30mm, tb=20mm mặt 20mm 2.3 Tải trọng - Dầm phụ ngang tiết diện chữ [No30: - Động đất cấp có gia tốc sở lớn h=30cm, bc=10cm, tc=1.1cm, tb=0.65cm, ac=0.2g dầm phụ ngang đặt úp có bụng theo - Áp lực thủy động động đất xác phương bán kính mặt định theo công thức Westergaard: - Dầm đứng nhịp van tiết diện chữ T p w a c Hy cánh phía hạ lưu, có chiều cao thay đổi, đỉnh đáy chiều cao dầm phụ ngang, đó: p - Áp lực thủy động ngang vị trí dầm chiều cao dầm chính, khoảng cách y(m) mặt nước, kN/m2 bụng thép dày 20mm, cánh w = 10kN/m - Trọng lượng riêng nước rộng 300mm, dày 30mm H =13.5m - Chiều sâu cửa cột nước tới - Dầm đứng hai đầu van dùng tiết diện chữ ngưỡng cống [có h=600mm, bc=300mm, tc=20mm, - Phổ phản ứng thiết kế cung cấp cho tb=10mm, không thay đổi theo chiều cao, đặt bảng hình quay vào phía nhịp - Dầm tiết diện chữ I có h=1400mm, 201 Bảng 1- Hàm phổ phản ứng thiết kế Chu kì Gia tốc Chu kì Gia tốc Chu kì Gia tốc 0.072 1.6 0.0459 3.2 0.0337 0.1 0.16 1.8 0.0413 3.4 0.0331 0.4 0.16 0.0376 3.6 0.0325 0.6 0.1111 2.2 0.0369 3.8 0.0118 0.8 0.0858 2.4 0.0363 0.0312 0.0701 2.6 0.0357 0.0280 1.2 0.0595 2.8 0.0350 0.0248 1.4 0.0518 0.0344 Hình - Đường cong phổ phản ứng thiết kế Mơ hình hóa kết cấu van Bản mặt dầm đứng mơ hình hóa phần tử Shell, dầm đứng hai đầu, dầm phụ ngang phận lại mơ hình hóa phần tử Frame Mơ hình phần tử hữu hạn cửa van cung cho hình 4 Áp lực nước tăng thêm động đất Để phù hợp với hệ tọa độ OXYZ có gốc đáy van dùng SAP2000 để mơ hình hóa kết cấu van, ta chuyển cơng thức Westergaard tính áp lực thủy động động đất dạng sau: Hình - Mơ hình phần tử hữu hạn kết cấu van 7 p w a c H(H y) w a c Hz 8 Lực động đất bao gồm lực quán tính khối lượng cửa van lực thủy động động đất tác dụng lên kết cấu van Đối với trường hợp tải trọng 1, kết cấu van ngập nước, lực thủy động tác dụng lên cửa van xác định dựa hiệu ứng quán tính thủy động nước, chuyển động với kết cấu van Vậy với phần tử mặt có 202 diện tích Ai chịu áp lực thủy động thay khối lượng nước tương đương gắn vào phần tử chuyển động với kết cấu van chịu tác động động đất, khối lượng xác định theo công thức sau: m w w' Hz i A i Ci A i đó: ’w khối lượng riêng nước Hình - Khối lượng áp lực thủy động tương đương gán vào mặt Khối lượng nước tương đương Khối lượng nước tương đương gắn vào phần tử diện tích mặt giả thiết phân bố có cường độ lấy tâm phần tử đó, giá trị Ci cho bảng Bảng - Khối lượng nước tương đương H(m) 13.5 Ci=mw/Ai Nút Zi(m) Zci(m) Ci 20 0.35 11.66 19 0.69 1.04 11.35 18 1.39 1.75 11.02 17 2.11 2.50 10.67 16 2.88 3.27 10.29 15 3.65 4.05 9.89 14 4.44 4.84 9.46 13 5.24 5.64 9.01 12 6.04 6.45 8.54 10 11 6.85 7.26 8.03 11 10 7.66 8.07 7.49 12 8.48 8.98 6.84 13 9.48 9.96 6.05 14 10.44 10.93 5.16 15 11.41 11.89 4.09 16 12.36 12.83 2.63 17 13.30 Chạy chương trình khai thác kết Sau gán áp lực nước khối lượng nước tương đương vào phần tử mặt, gán liên kết đơn thẳng đứng hai điểm tựa đáy van liên kết khớp có trục quay nằm ngang gối lề, nhập phổ phản ứng thiết kế Chạy chương trình hiển thị TT kết Tính tốn chuyển vị ứng với tổ hợp lực: TH7’=H3+DEAD E tính nội lực ứng với tổ hợp lực: TH7=1.2H3+1.2DEAD 1.0E - Chuyển vị: Phổ mầu chuyển vị ngang UX theo phương dòng chảy với tổ hợp lực TH7’ thể hình Giá trị chuyển vị lớn U1=0.031968m nút 41 - Ứng suất mặt: Phổ mầu ứng suất S11 cho hình 7, ứng suất S11Top có giá trị lớn 75000.91kN/m2 phần tử 68, 65430.21kN/m2 ứng suất trung bình nút 58, định vị hình - Nội lực dầm phụ ngang: Dầm phụ ngang số 19 có giá trị mơmen uốn M3 lớn 105.74kNm biểu đồ lực cắt V2 tương ứng, biểu diễn hình - Ứng suất dầm đứng: Phổ mầu ứng suất S11 cho hình 9, dầm đứng chịu lực lớn dầm đứng, ứng suất S11 có giá trị lớn 131033.49kN/m2 phần tử 632, định vị hình Biểu đồ nội lực dầm đứng biên biểu diễn hình 10, mơmen uốn, lực cắt lực dọc có giá trị lớn vị trí dầm M3=-658.10kNm, V2=512.90 kN, P=1394.33kN phần tử - Nội lực dầm chính: Dầm chịu lực lớn dầm trên, từ hình 11 cho thấy mơmen lớn nhịp 203 M3=3564.29kNm lực cắt lớn chân van V2=2724.79kN phần tử 273 - Chuyển vị nội lực khung chính: Khung chịu lực lớn khung trên, chuyển vị lớn dầm U1=0.0209m cho hình 12 Chân khung Hình - Phổ chuyển vị UX (TH7’) chịu lưc dọc đồng thời chịu mômen uốn P=-6276.19kN, M2=39.49kNm, M3=-85.6853kNm phần tử 58 (xem hình 13 hình 14) Giá trị nội lực số phần tử khung ứng với TH7 cho hình 15 Hình - Phổ ứng suất S11 mặt van (TH7) \ Hình - Biểu đồ mômen uốn lực cắt dầm phụ ngang số 19 (TH7) Hình - Phổ ứng suất S11 dầm đứng (TH7) Hình 10 - Biểu đồ mômen uốn, lực cắt lực dọc dầm đứng biên (TH7) Hình 11 - Biểu đồ mơmen lực cắt dầm (TH7) 204 Hình 12 - Sơ đồ chuyển vị khung (TH7’) Hình 13 - Biểu đồ mơmen uốn M3 khung (TH7) Hình 14 - Biểu đồ lưc cắt V2 lực dọc P khung (TH7) Hình 15 - Giá trị nội lực số phần tử khung (TH7) Kết luận Thơng qua ví dụ tính tốn cụ thể thấy rằng, phần mềm SAP2000 đáp ứng yêu cầu tính toán van cung chịu tác động động đất theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ Áp lực nước tăng thêm động đất thay khối lượng tương đương gắn vào mặt cửa van chuyển động với kết cấu van chịu tác động động đất Kết tính tốn thể rõ tăng thêm chuyển vị nội lực phận kết cấu cửa van có động đất Do việc tính tốn cửa van có xét đến động đất cơng trình lớn Đồng sơng Cửu Long cần thiết không nên bỏ qua 205 Tài liệu tham khảo: “Thiết kế cửa van hình cung đập tràn - Kỹ thuật thiết kế” (Design of Spillway Tainter Gates - Engineering and Design, EM 1110-2-2701, 2000) “Phân tích động lịch sử - thời gian kết cấu bê tông thủy công” (Time-History Dynamic Analysis of Concrete Hydraulic Structures, EM 1110-2-6051, 2003) Abstract: APPLICATION OF THE UNITED STATES’ DESIGNING STANDARD TO DESIGN A RADIAL GATES UNDER EARTHQUAKE LOADING: AN EXAMPLE BY SAP2000 Vu Hoang Hung, Vu Thanh Hai “Design of Spillway Tainter Gates - Engineering and Design, EM 1110-2-2702” of the United States defines that in designing a radial gate under earthquake loading the hydrodynamic pressure, which is caused by earthquake, should be computed by the Westergaard formula and it is seen as an equivalent mass of water cemented on the surface of radial gate and move along with radial gate structure In present, application of SAP 2000 is a very effective method to solve this problem This paper presents a real example to prove the above statement 206 ... luận Thơng qua ví dụ tính tốn cụ thể thấy rằng, phần mềm SAP2000 đáp ứng u cầu tính tốn van cung chịu tác động động đất theo tiêu chuẩn Hoa Kỳ Áp lực nước tăng thêm động đất thay khối lượng tương... mặt cửa van chuyển động với kết cấu van chịu tác động động đất Kết tính tốn thể rõ tăng thêm chuyển vị nội lực phận kết cấu cửa van có động đất Do việc tính tốn cửa van có xét đến động đất cơng... Lực động đất bao gồm lực quán tính khối lượng cửa van lực thủy động động đất tác dụng lên kết cấu van Đối với trường hợp tải trọng 1, kết cấu van ngập nước, lực thủy động tác dụng lên cửa van